山西晉中松溪供水工程導流洞封堵方案設計

李晉平

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

松溪供水工程位于山西省晉中市昔陽縣，工程規(guī)模為?。?）型，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物大壩級別為4級。施工導流隧洞屬于臨時建筑物，施工期用于導流，施工完成后封堵。

松溪供水工程導流隧洞長為265 m，縱坡比為1 /200，進口底高程為 608.50m，出口底高程為 607.00 m，斷面形式為城門洞形，設計流量為 16.1 m3/s，隧洞底寬為 3.5 m，邊墻高 2.5 m，頂拱半徑為 1.75 m。

導流洞位于大壩右岸，洞軸線走向為E～N75°E～N45°E～N30°E，進口位于大壩上游約 184 m 處，出口位于壩址右岸山梁背面河流右岸凹岸處。導流洞所處山梁高程為 671 m，河床高程為 606.6～608.5 m。出露地層巖性為［1］：（1）第四系全新統(tǒng)洪沖積（）卵石混合土，厚10～15 m，分布于河床及漫灘；（2）第四系全新統(tǒng)殘坡積（）碎石土，厚 0.5～2.0 m，分布于導流洞出口處山坡上；（3）寒武系中統(tǒng)張夏組第一巖組（∈2z－1）中厚層鮞狀灰?guī)r，分布于岸坡中下部的陡壁，河床以上出露厚度為 28.7～33.4 m，頂面高程為638～641 m，導流洞從該層中穿過；（4）寒武系中統(tǒng)張夏組第二巖組（∈2z－2）瘤狀灰?guī)r，厚度約 10 m，頂面高程為 643～651 m，分布于山梁緩坡地帶；（5）寒武系上統(tǒng)崮山組第三巖組（∈3g－3）黃綠色頁巖，厚度約2 m，頂面高程為645～653 m，分布于山梁緩坡地帶；（6）寒武系上統(tǒng)崮山組第四巖組（∈3g－4）薄層泥質條帶狀灰?guī)r夾竹葉狀灰?guī)r，分布于山梁緩坡地帶頂部。

2 堵頭設計及布置

2.1 堵頭設計原則

堵頭設計原則為：（1）安全可靠，穩(wěn)定性好，防滲性好。（2）充分考慮施工條件和施工水平，簡化施工程序，方便施工。

2.2 堵頭設計標準

堵頭為永久擋水建筑物，設計標準與攔河壩相同，按4級建筑物設計。

2.3 堵頭布置

本工程導流洞封堵堵頭位于樁號D0＋063.56～D0＋068.56。堵頭所在位置的圍巖為Ⅲ類圍巖，開挖尺寸為 3.5 m×4.25 m，為不襯砌段。

2.4 堵頭形式設計

為提高堵頭的可靠性，同時減少堵頭的長度和混凝土的數量，本工程將堵頭置于巖石上面，堵頭形式采用截錐型。截錐型堵頭能將壓力均勻地傳至洞壁巖石，受力情況較好。堵頭全長5 m，澆筑時，采用通倉澆筑［2］。

3 堵頭的水力計算

3.1 堵頭長度的確定［3］

堵頭長度常根據極限平衡條件或按經驗公式進行計算。其計算公式分別為式（1）和式（2）。

式中：K為安全系數， 一般取 1.1～1.3；P為作用水頭總推力，N；ω為導流隧洞的斷面積，m2；γ為混凝土容重，kg/m3；f為混凝土與巖石的摩阻系數，一般取 0.6～0.65；g為重力加速度，m/s2；λ 為隧洞周長，m；c為混凝土與巖石的黏結力，一般?。?～20）×104Pa；

式中：L為堵頭長度，m；H為作用水頭，m；D為混凝土堵頭直徑，m；η 為系數，取 0.015～0.02，當H＜100 m時，取大值；H＞100 m時，取小值。

若堵頭截面形狀不是圓形，則D可用等效直徑代替，其計算式為公式（3）。

式中：D等為堵頭等效直徑，m；ω為堵頭截面積，m2；π 為圓周率。

該工程堵頭設計時，采用的參數為：K＝1.3，總水壓力P＝508.03×104kN，斷面面積 ω＝13.56 m2，摩阻系數f＝0.6，混凝土容重 γ＝ 2 400 kg/m3，黏結力c＝9.5×104Pa。按極限平衡條件計算的堵頭長度為4.96 m，按照經驗公式計算的堵頭長度為3.18 m。根據規(guī)范，計算長度小于 1.0～1.5 倍洞徑時，按 1.0～1.5倍洞徑選用。因此，堵頭長度確定為5 m。

3.2 抗滑穩(wěn)定復核

國內外多數工程采用抗剪斷公式或摩擦公式進行穩(wěn)定分析。本工程按抗剪斷公式及《水工隧洞設計規(guī)范》（DL/T5195－2004）進行堵頭的穩(wěn)定復核。

3.2.1 計算公式

（1）作用效應函數的計算公式為

式中：ΣPR為滑動面上封堵體承受的全部切向作用之和，kN。

（2）抗力函數的計算公式為

式中：ΣWR為滑動面上封堵體全部法向作用之和，向下為正，kN；fR′為混凝土與圍巖的抗剪斷摩擦系數；CR′為混凝土與圍巖的抗剪斷黏聚力，kPa：AR為封堵體（除頂拱部位90°～120°外）與圍巖接觸面面積，m2。

3.2.2 計算工況

考慮到堵頭要長期運行，基本荷載按校核水位646.53 m 計算。

3.2.3 設計參數選擇

（1）混凝土容重 γ＝24 kN/m3；（2）混凝土與巖石摩擦系數f′＝1.1；（3）混凝土與巖石凝聚力C′＝95 MPa；（4）接觸面面積A＝8.5×5＝42.5 m2；（5）堵頭自重W＝24×13.56×5＝1.63×104kN；（6）校核水位時，作用水頭的水平推力P＝508.03×104kN；（7）基本荷載組合的結構系數 γd＝1.2。

3.2.4 抗滑穩(wěn)定計算成果

經計算，抗力函數R＝486.65×104kN，作用效應函數S＝508.03×104kN，S＞R，滿足抗滑穩(wěn)定要求。

4 溫度控制措施和灌漿設計

4.1 溫度控制措施

參考其他工程的導流洞堵頭設計及實際運用情況，本工程采取的溫控措施為：（1）每m3混凝土的水泥用量不超過280 kg；（2）在混凝土中摻加氧化鎂，利用氧化鎂延遲性微膨脹與大體積混凝土降溫收縮變形大體協(xié)調的特性，提高堵頭與周圍巖體的相互接觸；（3）混凝土澆筑溫度應控制在26℃以下；（4）盡量避免高溫季節(jié)澆筑，在骨料場對骨料進行預冷處理。

4.2 灌漿設計

（1）固結灌漿。堵頭澆筑完成后，在封堵體的四周進行固結灌漿。灌漿孔排距、孔距均為2 m，呈梅花形布設，灌漿孔深入基巖3 m，灌漿壓力為0.5 MPa。（2）回填灌漿?；炷炼骂^澆筑強度達到70%后，通過預埋在堵頭頂部的灌漿管，對頂部120°范圍內進行回填灌漿。回填灌漿采用純壓式，由下游向上游依次灌注，灌漿壓力為0.5 MPa。（3）接觸灌漿。接觸灌漿分3區(qū)，洞底為一區(qū)，左、右邊墻各為一區(qū)。利用預埋在堵頭內部的灌漿系統(tǒng)，在堵頭溫度降至穩(wěn)定溫度時進行灌漿，灌漿壓力為0.5 MPa。

5 結語

導流洞封堵是水工建筑物施工過程中經常會遇到的問題，采用經驗及極限平衡條件計算方法，有明確的試驗模型，而且施工方便，堵頭長度較合適。

［1］水利部山西水利水電勘測設計研究院.山西省昔陽縣松溪供水工程初設報告［R］.太原：山西省水利水電勘測設計研究院，2012.

［2］水利電力部水利水電建設總局.水利水電工程施工組織設計手冊：1卷［M］.北京：中國水利水電出版社，2009：363－774.

［3］ 孛永平，吳存虎，燕荷葉.汾河二庫導流洞封堵設計［J］.山西水利科技，2000（4）：7－8.